T/R组件高功率电磁脉冲试验研究

李吉浩，侯其坤，陈传宝，许立讲

(1.南京电子技术研究所， 南京210039； 2.天线与微波技术国防科技重点实验室， 南京210039)

0 引言

在现代化的高科技战争中，能否有效获取信息成为战争的核心和关键，雷达特别是有源相控阵雷达作为获得战争信息的关键传感器，作用和地位举足轻重。目前，有源相控阵雷达除了受低空/超低空飞机、巡航导弹、低空杂波、电子干扰和反辐射武器隐身飞行器等威胁外，还面临电磁脉冲武器等新概念武器的威胁［1］，面临得环境更加复杂，电磁环境不断恶化［2-3］。

作为有源相控阵雷达发射末端和接收前端的核心部件，T/R组件直接暴露在复杂的电磁环境中，相控阵雷达内核的抗烧毁问题主要体现在数目巨大的T/R组件的烧毁问题［4］。因此，有必要通过高功率电磁脉冲试验系统，进行T/R组件的高功率电磁脉冲毁伤效应试验，积累T/R组件的毁伤阈值和加固设计经验，增强该方向的技术基础。

1 高功率电磁脉冲进入T/R组件的途径

电磁脉冲进入T/R组件的途径主要有三种:(1)通过壳体上的孔隙;(2)通过对壳体的穿透;(3)通过暴露在阵面表面上的天线。其中，电磁波对壳体的穿透是通过趋肤效应实现的，2 GHz的微波信号在铜和铝中的趋肤厚度分别为1.52 μm和2.82 μm，频率更高的微波信号趋肤厚度更小。可见，高功率电磁脉冲对壳体的穿透作用很小。

高功率电磁脉冲对T/R组件的毁伤途径主要包括两个方面:一是经过天线耦合后产生感应电流，通过线路或波导结构进入T/R组件;二是通过孔隙耦合进入T/R组件［5］。对于通过孔隙耦合进入舱体内部的电磁脉冲，可以通过改进屏蔽结构或开孔方式等有效控制其影响。而从天线耦合进入T/R组件的电磁脉冲是致命的，这是由于:为了使雷达有更远的作用距离或更容易发现目标，通常要求雷达能够处理微弱信号。例如，超外差式雷达接收机灵敏度为10-12W～10-14W，而保证这个灵敏度所需的增益为120 dB～160 dB。当雷达天线接收到很强的电磁脉冲时，接收机再将此信号放大，则雷达射频前端的低噪放大器等电子元器件很容易受到不可逆损伤。雷达的灵敏度越高，作用距离越远，其受到电磁损伤的可能性就越大。

本文主要针对高功率脉冲经天线耦合后对T/R组件产生的毁伤效应进行试验方法研究和相关试验验证，积累T/R组件的毁伤阈值和加固设计经验。

2 进入T/R组件的电磁脉冲辐照场强与注入功率的等效关系

2.1 电磁脉冲经天线耦合进入T/R组件的辐照模型

高功率电磁脉冲经天线耦合进入T/R组件的空间辐射模型如图1所示，高功率电磁脉冲源Pt经增益为Gt、孔径面积为At的发射天线，经过距离为R的空间损耗后，由增益为Gr、孔径面积为Ar的接收天线耦合进入T/R组件接收通道的功率为Pr，接收天线处的场强为E。

图1 电磁脉冲经天线耦合进入T/R组件的模型

Pr与E、Pt的关系如下

2.2 电磁脉冲经天线耦合进入T/R组件的典型实例

针对电磁脉冲经天线耦合进入T/R组件的典型情况，取T/R组件限幅器的最大耐功率Pr=1 500 W，发射天线增益Gt=5 dB，发射天线孔径D=0.1 m，接收天线增益Gr=5 dB，接收天线孔径D=0.1 m，空间距离R=10 m，波长λ=0.1 m，则此时对应的发射功率为

此时，组件处的功率密度为

因此，T/R组件处的场强E=26 300(V/m)。

由上述分析可知，经天线进入T/R组件场强为26 300 V/m的电磁脉冲等效为1 500 W的注入功率。

3 T/R组件高功率电磁脉冲试验方法

根据进入T/R组件的电磁脉冲辐照场强与注入功率的等效关系，在实验室环境进行高功率电磁脉冲试验，主要有两种试验方法:电磁脉冲注入试验和电磁脉冲辐照试验。电磁脉冲注入试验的测试装置包括:(1)高功率微波信号注入及HPM参数测量系统;(2)参考信号注入、选参;(3)透射信号测试:放大、检波。电磁脉冲辐照试验测试装置包括高功率微波信号源及天线。

3.1 电磁脉冲注入试验

电磁脉冲注入试验系统示意图如图2所示。通过触发控制器来设置微波的脉冲个数和重复频率，由微波固态源设置微波脉冲的功率和脉冲宽度。通过定向耦合器、检波器、衰减器和数字示波器监测T/R组件试验件的注入波形、反射波形及T/R组件输出参考信号。信号源为T/R组件提供参考信号，该信号和高功率微波脉冲同时经过定向耦合器注入T/R组件。由于参考信号电平经T/R组件输出后较小，不便于监测T/R组件的性能降级情况，所以在T/R组件输出端加两级放大器，对输出参考信号进行线性放大，以便监测T/R组件微波损伤后的工作情况。直流电源为T/R组件和低噪声放大器提供工作电压，保证电路正常工作。示波器用来测量注入高功率微波脉冲的信号情况，同时监测经过T/R组件后的参考信号电平。

图2 电磁脉冲注入试验系统原理图

3.2 电磁脉冲辐照试验

电磁脉冲辐照试验系统示意图如图3a)所示。高功率微波源的信号(垂直极化)被场强探测器探测到，然后经过电缆到达衰减器。此后信号被3 dB的功分器分成两路，一路直接送到示波器的CH2通道，另一路经过不同的电路模块后输入到示波器的CH3通道。

T/R组件UWS-HPM测试采用辐照法，实验装置如图3b)所示。触发控制器用来设置高功率微波辐照的重复频率和作用时间。UWS脉冲信号通过天线辐射到T/R组件所在的位置，对T/R组件进行作用。T/R组件处UWS信号强度采用测量天线、微波缆、衰减器和示波器配合测量。直流电源为T/R组件提供工作电压，保证电路正常工作。

图3 磁脉冲辐照试验系统示意图和实验装置图

4 T/R组件电磁脉冲毁伤效应试验验证

为了验证T/R组件高功率电磁脉冲毁伤效应，分别采用电磁脉冲注入试验和电磁脉冲辐照试验对某T/R组件进行试验验证，积累T/R组件的毁伤阈值和加固设计经验。

4.1 T/R组件电磁脉冲注入试验

在T/R组件电磁脉冲注入试验(见图4)中，选用两种脉冲方式:其一为单脉冲形式，如图5a)所示;其二为脉冲串形式，如图5b)所示。单脉冲由固态微波源直接输出，脉冲串形式利用HP8131A触发固态微波源产生。

图4 T/R组件电磁脉冲注入试验

图5 单脉冲波形和脉冲串波形示意图

对某T/R组件进行电磁脉冲注入毁伤效应试验。图6为单脉冲干扰效应波形图。此时，注入高功率微波(HPM)信号并未对T/R组件产生损伤，参考信号在HPM作用结束后，立即恢复正常工作状态。图7为单脉冲损伤效应波形图。此时，注入微波对T/R组件产生损伤，导致T/R组件接收支路增益降低，而且T/R组件性能在HPM作用结束后有一个恢复过程，但最终未完全恢复，形成永久损伤，导致性能降级。

图6 单脉冲作用时干扰波形

图7 单脉冲作用时损伤波形

图8为注入脉冲串的干扰波形图。此时，注入高功率微波(HPM)信号并未对T/R组件产生损伤，参考信号在HPM作用结束后，立即恢复正常工作状态。图9为注入脉冲串的损伤波形。此时，注入微波对T/R组件产生损伤，导致T/R组件接收支路增益降低，而且T/R组件性能在HPM作用结束后有一个恢复过程，但最终未完全恢复，形成永久损伤，导致性能降级。

图8 脉冲串作用时干扰波形

图9 脉冲串作用时损伤波形

对某T/R组件进行电磁脉冲毁伤效应试验，结果如图10所示。试验条件为单脉冲注入，重复频率100 Hz。功率约5 kW时开始降级;功率5 kW～10 kW时，器件增益下降约1 dB ～2 dB;功率10 kW ～30 kW时，器件增益下降10 dB ～18 dB。

图10 单脉冲注入，重复频率100 Hz

试验条件为脉冲串注入，脉冲数10个，脉冲重复频率100 Hz。功率约5 kW时开始降级;功率5 kW ～7 kW时，器件增益下降约1 dB ～3 dB;功率11 kW ～13 kW 时，器件增益下降8 dB ～10 dB;功率16 kW时，器件增益下降20 dB。相应的T/R组件增益降级结果如图11所示。

图11 脉冲串注入，脉冲数10个，脉冲重复频率100 Hz

由图10和图11可知，峰值功率为15 kW的电磁脉冲和峰值功率为25 kW的电磁脉冲，导致T/R组件出现同等程度的毁伤效应(增益下降15 dB)。

图12和图13分别为对某T/R组件进行电磁脉冲串注入试验时，性能正常和性能降级5.8 dB的信号波形。

图12 性能正常的T/R组件波形(正常)

图13 性能降级(5.8 dB)的T/R组件波形

对某T/R组件进行电磁脉冲串的毁伤效应试验，图14给出了T/R组件随电磁脉冲数增加的增益性能降级过程。可见，随着电磁脉冲数的增加，T/R组件峰值温度逐渐上升［7］，毁伤效应逐渐严重。

图14 T/R组件随电磁脉冲数的性能降级过程

4.2 T/R组件加固设计试验验证

对性能降级的T/R组件进行故障定位和分析(见图15)，毁伤部件为接收通道前端的限幅器。对限幅器进行加固设计后，进行T/R组件加固设计试验验证，结果如表1所示。

图15 T/R组件故障分析和加固设计

表1 T/R组件加固设计试验

由表1可以看出，加固设计后的T/R组件高功率电磁脉冲毁伤阈值，由原先的5 kW提高到13 kW。

4.3 T/R组件电磁脉冲辐照试验

T/R组件电磁脉冲辐照测试装置如图16所示，包括三个部分:(1)超宽谱源系统;(2)TR组件;(3)辐射场测量系统。

图16 T/R组件UWS-HPM辐照测试装置

图17为1 ns超宽谱脉冲辐照波形，超宽谱辐照时的重复频率为50 Hz，作用时间10 s，场强670 V/cm。在此电磁脉冲辐照试验中，各T/R组件道均未受到损伤。

图17 超宽谱脉冲辐照波形

5 结束语

本文针对复杂电磁环境下有源相控阵雷达T/R组件高功率电磁脉冲毁伤效应的试验验证问题，介绍了高功率电磁脉冲进入T/R组件的三种不同途径，对高功率电磁脉冲辐照场强与注入功率等效关系进行了建模分析。对目前实验室环境高功率电磁脉冲试验的两种主要方法，即电磁脉冲注入试验和电磁脉冲辐照试验，分别进行试验原理和试验装置的介绍和分析。对某T/R组件进行电磁脉冲注入效应试验、加固设计试验验证以及电磁脉冲辐照试验后，得到T/R组件在单脉冲和脉冲串注入试验条件下的毁伤效应波形。随着注入电磁脉冲数的增加，T/R组件峰值温度逐渐上升，毁伤效应逐渐严重。加固设计后的T/R组件高功率电磁脉冲毁伤阈值由原先的kW量级水平提高到10 kW量级水平。通过T/R组件毁伤效应试验及加固防护试验验证，积累了T/R组件毁伤效应阈值和加固设计经验，可为后续的工程应用提供借鉴。

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